電網中含有諧波情況下的無功補償

1諧波

對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一係列大於電網基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（N＝FN／F1）稱為諧波次數。諧波實際上是一種乾擾量，使電網受到“汙染”。其頻率範圍一般為2≤N≤40。

2諧波源

向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，針對天津港這一特定供電環境而言，經天津電科院測試，主要的諧波源是采用交－直－交及變頻調速的碼頭機械，這些設備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使係統正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決於諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網參數無關，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產生的諧波次數與其電路形式有關，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發脈衝不對稱或非穩定工作狀態下，上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算*有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。

當電網接有多個諧波源時，由於各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小於各分量的算術和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由於變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網。但當各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘餘分量（*多可達20％）進入電網。

3諧波傳輸

對於多電壓等級的電網，其諧波的特點是諧波電流由低壓側流向高壓側，其大小基本上與高壓側參數無關，可視為恒流源。諧波電壓由高壓側傳輸到低壓側，可視為恒壓源。在進行諧波分析時，就是根據這個原則構造電網的諧波等效電路。

3.1電網元件的頻率特性

在諧波頻率範圍內，由於渦流和漏磁場作用，電網元件的諧波參數要考慮長線效應，即變壓器和導線的等效電阻R隨頻率的上升而增加，等效電感L隨頻率的上升而降低。電纜、導線和電容器的電容C基本不隨頻率變化而保持恒定。負載阻抗與頻率的關係依負載的不同而異。

3.2電網等效電路

電網可以由電網各元件的諧波參數RN、IN和CN組成等效網絡。三相對稱電網的等效電路圖通常采用單相表示。根據等效電路計算各頻率下的節點導納矩陣YN，求出阻抗ZN，計算諧波電壓UN＝ZNIN。

4諧波限值

為使電網諧波電壓保持在允許值以下，必須限製諧波源注入電網的諧波電流量。大多數工業發達國家相繼製定了電網諧波管理的標準或規定。諧波管理標準的製定是基於電磁相容性的原則，即在一個共同的電磁環境中，電氣設備既能正常工作，又不得過量地乾擾這個環境。

我國已於1993年頒布了限製電力係統諧波的國家標準《電能質量：公用電網諧波》（GB／T14549－93），規定了公用電網諧波電壓限值和用戶向公用電網注入諧波電流的允許值。

5諧波危險

諧波增加電氣設備的熱損耗，乾擾其功能甚至引發故障。另外諧波可對信息係統產生頻率耦合乾擾。

5.1電動機

諧波電壓在電動機短路阻抗上產生的諧波電流和電動機負序基波電流I一起使設備產生附加熱損耗，並且在電動機起動時容易發展成乾擾力矩。諧波電流和負序基波電流有效值之和一般不得大於電動機額定電流IE的5％～10％。

5.2電容器

諧波可使電容器過流發熱。有關規程規定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流（IC＝CUN）。位於諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊製造。

5.3電子裝置

諧波電壓可使晶閘管觸發裝置發生觸發錯誤，甚至導致設備故障。諧波也會對電網音頻控製係統和計算機產生**影響。

5.4通訊係統

在2.5KHZ以下導線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特彆是較高次諧波會對通訊及信息處理設備產生乾擾。

6諧波抑製

將三相橋式電路的脈動數從6提高到12，可消除5次、7次諧波。將多個諧波源接於同一段母線，利用諧波的相互補償作用也可降低電網諧波含量。

當諧波量超出規程允許值或者電網在諧波範圍內有諧振時，通常設置單調諧濾波器吸收特征諧波。對於13次及以上的諧波，可設置一個高通濾波器。濾波回路也會吸收電網原有諧波並可能導致過負荷。一般通過調整失諧率，降低品質因數或者通過附加電子裝置控製電流值來避免過負荷。電容器可通過串聯電抗器形成諧波阻塞回路，以防止電容器諧波過負荷。一般將串聯諧振頻率定在250HZ以下。

7電網中含有諧波情況下的無功補償

7.1對原有變流器負荷的補償

當電網接有諧波源負載（例如變流器等）時，不能將補償電容器直接接於電網，因為電容器與電網阻抗形成並聯諧振回路，在對諧振頻率進行估算時，可以根據電網短路功率SK”和電容器基波補償容量QC1計算VR＝F（QCL／SK”）。

在5次諧波頻率下電網具有諧振，並聯阻抗XP大大升高，由諧波源發出的5次諧波電流流入諧振回路後，會產生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導致電壓波形發生畸變。在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發出的電流的數倍，即諧波放大，此時變壓器和電容器承受大於正常情況的負荷，特彆是電容器，長期運行於過負荷狀態，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據電網阻抗和電容器容抗預先計算出並聯諧振頻率，調整電容器容量配置，使並聯諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實際的電網阻抗不為常數，而時常處於不斷變化之中，很難完全避開諧振，特彆當電容器分組調節運行時，情況更為複雜。

當需要對接有諧波源設備的電網進行補償時，必須采取技術措施，將並聯諧振點移到**位置，而實踐證明*可靠的方法就是在電容器回路中串聯電抗器。

7.2電容器回路串電抗

電容器串電抗後形成一個串聯諧振回路，在諧振頻率下呈現出很低的阻抗（理論上為0）。如果串聯諧振頻率與電**征諧波頻率一致，則成為純濾波回路。如果隻吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯諧振頻率通常低於電網的*低次特征諧波頻率，即設定為基波頻率的3.8～4.2倍。

工程計算公式為：

電抗器電抗XL＝電容器容抗XC的百分比（X％）或者：電抗器功率QL＝電容器基波容量QC的百分比（X％）

電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的6％～7％。在選擇X＝6％時，諧振次數為V＝4.08。

失諧濾波回路隻吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產生的諧波的大部分流入電網，電容器容量根據預計達到的功率因數值確定。

純濾波回路的主要用途是吸收諧波，同時補償基波無功功率。

在串聯諧振狀態下，濾波回路的合成阻抗XS接近於0，因此可對相關諧波形成“短路”。

在諧振頻率以下濾波回路呈容性，因此能夠輸出容性基波無功功率以補償感性無功功率。在諧振頻率以上濾波回路呈感性。

由於濾波回路在諧振點以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網電感形成並聯諧振回路。如果在這個頻率範圍內冇有特征諧波，則並聯諧振對電網不會產生危害。

設計濾波回路時，應從*低次諧波開始，例如對於6脈動橋式變流器的諧波，應從5次諧波開始設置濾波回路。多個濾波回路的並聯諧振頻率。

當電容器采用△形接線，則濾波回路的諧振頻率一般設定為特征諧波頻率的96％～98％，以便平衡電網的頻率波動和環境溫度變化引起的電容量的改變，濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負荷，多個不同諧振頻率的濾波器在兩個過0點間會出現一個並聯諧振點。

7.3濾波回路的無功功率調節

由於濾波回路的主要任務是吸收電網諧波，所以限製了對基波無功功率進行調節的靈活性，隻能對各個回路進行投切，投入的順序為從低次到高次，切除的順序為從高次到低次。對於容量較大的補償濾波裝置，可以采取純濾波回路和失諧濾波回路結合的方法，即純濾波回路固定運行，補償基本負荷，失諧濾波回路作為調節運行。

對於低壓諧波裝置，也可以采取多個同次濾波回路並聯的方法，但需注意以下兩點：

A）失諧濾波回路可以並聯運行，用於對濾波效果冇有嚴格要求的場所。

B）同次調諧濾波回路並聯運行會出現問題。在諧振頻率下回路阻抗理論上為0，但實際上電流不可能在2個支路間平均分配，其主要原因：

——由於元件製作誤差、環境溫度變化、電容器老化和元件容絲的動作等因素影響，導致各支路阻抗不為0，並且互有差異。

——電感和電容的調諧精度的限製。不可能將兩個支路的參數調得完全一樣。

如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性，另一個呈容性，則會產生並聯諧振，使諧波放大。

如果經過經濟技術比較需要采用並聯方式，可以將兩個支路均調為在特征諧波頻率下呈感性，即ωR《V×ωL，各支路電阻接近，可以較好解決電流分配問題，但是濾波效果要降低。

如果既要吸收諧波，又要保持調節的靈活性，可以采用並聯支路的方式，即若乾個同次濾波回路同時接入電網，各支路的電容同時並聯，形成一個總的濾波回路，調節時可以投切其中的一個或多個並聯支路。這種方式不會出現支路間的並聯諧振，同時提高了濾波效果。除了對電容器分組調節以外，對於負載波動頻繁的場合，采用動態補償及濾波裝置是*佳的解決方案。

7.4濾波回路的選擇

選擇濾波回路有以下兩個原則：

A）主要用於吸收諧波，降低電網電壓畸變，基波無功補償居次要位置。

B）提高電網功率因數，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償的要求配置。

7.5濾波回路的效應

在諧振頻率下濾波回路仍然具有電阻，因此會產生損耗。圖6原理圖中忽略了所有其他負載，包括電纜電容，但並不影響計算準確度。

電容器容量越小，諧振曲線越陡，一旦失諧，會有大量諧波電流進入電網。電容器容量越大，濾波效果也越好。

品質因數改變時諧振曲線隻在特征諧波附近變化，在濾波器調諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質因數越高，濾波效果越好。考慮到電容器和電抗器製造技術和費用等條件，品質因數一般在30～80之間。

諧波分流特性隻適用於諧波源和濾波器穩定狀態，在諧波源（例如可逆軋機傳動）動態變化過程中，諧波電流的每次改變均會引起濾波器震蕩，濾波器回路電阻越大（品質因數越小），則震蕩時間越短，但濾波效果要降低。對於頻繁變化的諧波源負載，在過渡過程期間，電網要承受較大的諧波電流。

7.6電網分析與計算

設計補償裝置和濾波回路時，除了計算選擇元器件參數外，對於特定的供電係統還需要進行具體電網分析，模擬出設備投入後預期的效果。